课件：高电压气体放电的基本物理过程.ppt

1,第2章 气体放电的基本物理过程,2,第2章 气体放电的基本物理过程,高压电气设备绝缘的介质 -气体、液体、固体及其复合介质 气体绝缘介质的优点 : 1. 不存在老化问题 2. 击穿后具有完全的绝缘自恢复特性 3. 气体放电理论比液体与固体介质的击穿理 论要完整得多,3,主要内容,气体中带电质点的产生和消失 气体放电的两种理论 两种理论自持放电的条件 不均匀电场中气体放电的特点,4,气体放电,在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程,气隙中带电粒子是如何形成的？ 气隙中的导电通道是如何形成的？ 气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？,5,原子激励和电离,原子能级 以电子伏为单位 1eV1V1. 610-19C1.610-19J 原子激励 原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，所需能量称为激励能We 激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光子（光辐射）的频率,2.1 带电质点的产生与消失,6,原子电离： 原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为原子的电离 电离过程所需要的能量称为电离能Wi（ev），也可用电离电位Ui（v） Ui =Wi/e 几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位,7,一、气体中带电质点的产生和消失,气体中带电质点的产生 （一）气体分子的电离可由下列因素引起： （1）高温下气体中的热能（热电离） （2）各种光辐射（光电离） （3）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （二）金属（阴极）的表面电离 （三）负离子的形成,8,热电离,因气体热状态引起的电离过程称为热电离 气体分子的平均动能和气体温度的关系为 在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离 室温下,气体分子平均动能十分小,热电离概率低 在高温下(大于10000K时)，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离,9,光电离,光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离 自然界、人为照射、气体放电过程 当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成电子和正离子 光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为 对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下，一般是不能直接发生光电离的;紫外线也只能使少数低电离电位的金属蒸气发生光电离;只有波长更短的X射线、射线才能使气体发生光电离,10,碰撞电离,气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起的 在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离 me电子的质量； ve 电子的速度； Wi气体分子的电离能。 碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关 碰撞电离主要以电子为主,11,原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励，所需的能量称为激励能 原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离，此时所需能量为Wi-We 通常分级电离的概率很小，因为激励态是不稳定的,表2-1几种气体的电离能和激励能（eV）,分级电离,潘宁电离电光源,12,电极（阴极）表面电子逸出,阴极发射电子的过程 逸出功 ：使电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功 (与金属的微观结构 、金属表面状态有关) 金属表面电离有多种方式，即可以有多种方法供给电子以逸出金属所需的能量,表2-2 一些金属的逸出功（eV）,13,电极（阴极）表面电子逸出,（1）正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出两个及以上电子时才能出现自由电子 （2）光电子发射 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于逸出功时，金属表面放射出电子（紫外光照射电极 ） （3）强场发射（冷发射） 阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子（106V/cm ） （4）热电子发射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属,（1）正离子撞击阴极 （2）光电子发射 （3）强场发射 （4）热电子发射,14,气体中负离子的形成,电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。,负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度，空气的三倍。,15,气体中带电质点的消失,气体中带电质点的消失 （一）电场作用下气体中带电质点的运动 （二）带电质点的扩散 （三）带电质点的复合,16,电场作用下气体中带电质点的运动,带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，消失于电极 形成外回路电流,17,带电质点的扩散,带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散 带电质点的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热运动造成，带电质点的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的 气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱 电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多,18,带电质点的复合,带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合 在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又可能成为导致电离的因素 带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则复合率越高,19,二、气体放电的一般描述,（一）气体放电的主要形式 根据气体压强、气体种类、间隙中电场均匀程度、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化,辉光放电 电弧放电 火花放电 电晕放电,20,辉光放电,当气体压强不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象 特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子。管中所充气体不同，发光颜色也不同,21,22,电弧放电,减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大 电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征,23,24,火花放电,在较高气压（例如大气压强）下，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花 火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定,25,26,电晕放电,电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极不均匀，则当电压升高到一定值后，首先紧贴电极在电场最强处出现发光层，回路中出现用一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大 发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用,27,28,29,气体放电的一般规律,根据气体压强、气体种类、间隙中电场均匀程度、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式。 无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。,30,2.2 放电的电子崩阶段,（一）非自持放电和自持放电的不同特点,31,非自持放电和自持放电的不同特点,电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小,电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）,电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的,电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）,外施电压小于U0时的放电是非自持放电。电压到达U0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。此时气隙转入良好的导电状态，即气体发生击穿了。,32,非自持放电,外施电压小于U0时，间隙内虽有电流，但其数值甚小，通常远小于微安级，因此气体本身的绝缘性能尚未被破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，那么电流也将消失。,33,自持放电,当电压达到U0后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增。同时气体中电离过程只靠电场的作用已可自行维持，而不再继续需要外电离因素了。因此U0以后的放电形式也称为自持放电,34,由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压U0 如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电，而起始电压U0也就是间隙的击穿电压Ub 如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多,35,二、电子崩的形成,汤逊放电理论(pd较小) 流注放电理论(pd较大) 这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压强和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象 两种理论有一个共同的基础，即图2-3中I-U曲线的BC段的电流增长是由电子碰撞电离形成电子崩的结果。,36,1、电子崩的形成 （ 过程 ）,外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子 依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。,37,38,乘以电子的电荷 ，即得电流关系式： 上式表明：虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大，但这时放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子(令因为I0 = 0时I = 0)， 即I变为零。,39,质点的平均自由行程,：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程 电子在其自由行程内从外电场获得动能，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关,三 碰撞电离系数,40,气体中电子和离子的自由行程是它们和气体分子发生碰撞时的行程 电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多 气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比,质点的平均自由行程,三 碰撞电离系数,41,自由行程的分布： 具有统计性的规律。质点的自由行程大于x的概率为 如果起始有n0个质点（或一个质点的相继n0次碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的质点数（或次数）n(x)应为,三 碰撞电离系数,质点的平均自由行程,42,三 碰撞电离系数,1.设电子平均自由行程为，电子运动1cm距离内将与气体分子发生1/次碰撞。 2.设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离，必须满足条件 3.只有那些自由行程超过xi的电子，才能与分子发生碰撞电离 ：,43,实际自由行程长度等于或大于xi的概率为 根据碰撞电离系数 的定义，即可得出：,44,当气温 不变时，1 Ap，并令AUiB，有：,由上式不难看出： 电场强度E增大时， 急剧增大; 很大或很小时， 都比较小。,45,所以，在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。,高气压时， 很小，单位长度上的碰撞次数很多，但能引起电离的概率很小； 低气压和真空时， 很大，总的碰撞次数少，所以 也比较小。,46,2.3、自持放电的条件,只有电子崩过程是不会发生自持放电的。要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。 实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和气隙长度的乘积（pd）有关。pd值较小时自持放电的条件可用汤逊理论来说明；pd值较大时则要用流注理论来解释。对于空气来说，这一pd值的分界线大约为26kPacm。,47,Pd值较小时的情况,汤逊理论认为，当pd较小时，电子的碰撞电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起着主要作用，气隙的击穿电压大体上是pd的函数 电离系数 正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能，在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自由电子来 表示表示每个正离子从阴极表面平均释放的自由电子数,48,汤逊放电判剧,从阴极飞出n0个电子，到达阳极后，电子数将增加为 正离子数 正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数,49,设 n01 放电有非自持转入自持的条件为 在均匀电场中，这也就是间隙击穿的条件，上式具有清楚的物理意义,50,自持放电的物理含义,一个初始电子有一个后继电子，放电得以自持：,一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正离子数为：,正离子在阴极造成的二次自由电子数为：,51,当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去,52,利用汤逊理论的自持放电条件 以及碰撞电离系数 与气压 、电场强度 的关系式(当气温 不变时)，并考虑均匀电场中自持放电起始场强,气体击穿的巴申定律,53,气体击穿的巴申定律,将 的计算式代入自持放电条件 击穿电压Ub 温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压强和电极间距离的乘积pd的函数,54,巴申（Paschen）定律 .上式所示规律在汤逊理论提出之前就由物理学家巴申从实验中得出，称为巴申定律。 （U形，应用） . 巴申曲线表明，改变极间距离d的同时，也相应改变气压p而使pd的乘积不变，则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等,55,物理解释：,假设d保持不变，当P增大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之间，电子积聚到足够动能的几率减小了。反之；当P减小时，电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大了，但气体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小 ，Ub所也会增大。 U形曲线,56,应当指出，上述巴申定律是在气温T保持不变时得出的。在气温T并非恒定的情况下，式-应改为：,57,汤逊放电理论的适用范围,电力工程上经常接触到的是气压较高的情况（从一个大气压到数十个大气压），间隙距离通常也很大 和pd小时候放电主要差异可概述如下 1. 放电外形 均匀连续，如辉光放电 分枝的明细通道 2. 放电时间 火花放电时间的计算值比实测值要大得多 3. 击穿电压 汤逊自持放电条件求得的击穿电压和实验值有很大出入 4. 阴极材料的影响 实测得到的击穿电压和阴极材料无关,58,汤逊放电理论的适用范围,汤森德放电机理的不足 (1)前面汤逊放电理论所讨论的是低气压、短气隙的情况,只是在一定的范围内有效(pd26kPacm ) 以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的过程和二次电子发射根本无关。 (2)不均匀的电场中，该理论不适用.,原因： 忽略了带电质点改变电场分布及光电离,59,气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下两方面：,空间电荷对原有电场的影响,空间光电离的作用,pd值较大时的惰况(流注理论),认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用,60,pd值较大时放电过程也是从电子崩开始的，但是当电子崩发展到一定阶段后会产生电离特强、发展速度更快的新的放电区，这种过程称为流注放电 电子崩阶段 空间电荷畸变外电场 流注阶段 光电离形成二次电子崩，等离子体,61,（一）空间电荷对原有电场的影响,电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变； 电子崩中电场弱，电荷密度很大，所以复合过程频繁 ； 强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光电离辐射源。,如图所示：,62,（二）空间光电离的作用,考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙空间各处发射光子而引起光电离。,汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光电离现象，而这一因素在高气压、长气隙的击穿过程中起着重要的作用。,63,如图所示：如果这时产生的光子位于崩头前方和崩尾附近的强场强区，则造成的二次电子崩将以更大的电离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中。,这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为流注。,64,流注条件,一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，而不再依赖外界电离因子的作用，如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。,初始电子崩头部电荷必须达到一定数量才能使原电场畸变和造成足够的空间光电离 。对均匀电场来说，自持放电条件为：,65,实验研究所得出的常数值为：,或,可见初崩头部的电子数要达到108时，放电才能转为自持，出现流注。,66,流注理论可以解释汤逊理论无法说明的pd值大时的放电现象。 1.放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式，有时火花通道曲折形 二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝;电子崩不致影响到邻近空间内的电场，不会影响其它电子崩的发展，因此汤逊放电呈连续一片 2. 如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间 光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象。 3. 再如为何击穿电压与阴极材料无关等 维持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这可说明为何很大Pd下击穿电压和阴极材料基本无关了 必须指出，两种理论各适用于一定条件的放电过程，不能用一种理论取代另一种理论。,67,四、不均匀电场中气体放电的特点,高压电器绝缘结构中的不均匀电场还要区分两种不同的情况，即稍不均匀电场和极不均匀电场 : 1. 稍不均匀电场: 全封闭组合电器（GIS）的母线筒和高压实验室中测量电压用的球间隙 2. 极不均匀电场: 高压输电线之间的空气绝缘和实验室中高压发生器的输出端对墙的空气绝缘,一、稍不均匀场和极不均匀场的的不同特点,68,根据电场均匀程度和气体状态，可出现不同情况,电场比较均匀的情况 放电达到自持时，在整个间隙中部巳达到相当数值。这时和均匀电场中情况类似 电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况 当大曲率电极附近达到足够数值时，间隙中很大一部分区域也都已达相当数值，流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿,69,电场极不均匀的情况 当大曲率电极附近很小范围内已达相当数值时，间隙中大部分区域值都仍然很小，放电达到自持放电后，间隙没有击穿。 间隙击穿前在高场强区（曲率半径较小的电极表面附近）会出现蓝紫色的晕光，称为电晕放电。电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大,70,2.4、不均匀电场中气体放电的特点,间隙距离d 在很大范围内变动时，球间隙的工频放电电压的变动情况,1 击穿电压 2 电晕起始电压 3 过渡区域 d0 4r；d0 8r,半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系,放电具有稍不均匀场间隙的特点击穿电压与电晕起始电压相同,放电具有极不均匀场间隙的特点电晕起始电压明显低于击穿电压,放电过程不稳定，分散 属于过渡区,71,稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征,f4属不均匀电场。,72,二、电晕放电的特点,由于电场强度沿气隙的分布极不均匀，因而当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近空间的电场强度首先达到了起始场强E0，因而在这个局部区域出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电晕放电。,73,74,电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，流传最广的是皮克公式，电晕起始场强近似为：,电晕放电的起始场强,是气体相对密度；m1表面粗糙度系数，理想光滑导线取1，绞线0.80.9； 好天气时m2=1，坏天气时m2可按0.8估算。,75,电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。,电晕放电的危害,电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。,电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。,76,降低电晕的方法：,从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度,在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。,对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。,对330kV及以上的线路应采用分裂导线，例如对330，500和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。,77,电晕放电有利的一面，例如： 在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度。 操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。 电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。,电晕的利用：,78,三、极不均匀电场的放电过程,极性效应,在不均匀电场中，放电总是从曲率半径较小的电极表面，即间隙中场强最大的地方开始，而与该电极的电位和电压的极性无关。但曲率半径较小的电极的电压极性不同，放电产生的空间电荷对原电场的畸变不同，因此同